Kapasitanssi: Määritelmä, kaava ja yksiköt

Aivan kuten paristot mahdollistavat kannettavan energian varastoinnin, kondensaattorit mahdollistavat väliaikaisen energian varastoinnin ja ovat kriittisiä komponentteja monissa piireissä.

Ne mahdollistavat suurien määrien varausten erottamisen toisistaan ​​ja vapauttamisen äkillisessä energiapurkauksessa käytettäväksi sellaisissa laitteissa kuten salamakamerat, sekä välittää muita elektroniikkaprosesseja, kuten muuntaminen vaihtovirta- ja tasavirtalähteiden välillä tai magneettikenttien lataaminen ja purkaminen, mikä on hyödyllistä radion virittämisessä asemille.

Kapasitanssi on mitta johtamattoman materiaalin kyvystä varastoida energiaa luomalla varausero potentiaalieron (jännitteen) yli. Materiaalin on oltava johtamaton, kuten lasi tai PVC-putki, koska muuten varaukset virtaavat sen läpi, eivätkä pysty pysymään erillään.

Matemaattisesti kohteen kapasitanssiCon yhtä suuri kuin varauksen suhdeQjännitteeseenV​.

SI-kapasitanssin yksikkö onfarad(F); maksullinen,

Mikä tahansa piirin osa, joka erottaa varauksen tällä tavalla, kutsutaan akondensaattori. Täten yllä olevan yhtälön mukaisesti mikä tahansa kondensaattorin kapasitanssiCkytketty akkuun potentiaalierollaV, varaa sähkövarauksenQ​.

Yksi yleinen kondensaattorityyppi on arinnakkaislevykondensaattori. Tällaisessa laitteessa pidetään kahta johtavaa materiaalilevyä (kuten metallia), kuten nimestä voi päätellä, yhdensuuntaisesti toistensa kanssa jonkin matkan päässä. Levyjen välissä on adielektrinen materiaali, kutsutaan myös nimelläeristävä materiaali​.

Tämä ei salli varausten virrata sen läpi ja voi siten polarisoitua - sen sisällä olevat varaukset suuntaa uudelleen niin, että kaikki positiiviset ovat yhdessä toisella puolella ja kaikki negatiiviset toisella puolella - sähköisen läsnä ollessa ala.

Kuka tahansa voi luoda yksinkertaisen yhdensuuntaisen levykondensaattorin käyttämällä kahta arkkia metallikalvoa levyinä ja useita paperiarkkeja eristimenä niiden välissä.

Rinnakkaislevykondensaattorin kapasitanssi riippuu yhden levyn pinta-alasta taiA; niiden välinen erod; ja dielektrisyysvakioκniiden välistä materiaalia tällä tavalla:

Termi ε₀ ("epsilon-naught") onläpäisevyysvapaata tilaa, joka on vakio, joka on yhtä suuri kuin 8,854 × 10^-12 faradit / metri (F / m). Dielektrinen vakioκon yksikköön kuulumaton määrä, joka voidaan etsiä taulukosta, kuten tähän artikkeliin linkitetty määrä.

Kaikki kondensaattorityypit eivät vaadi yhdensuuntaisia ​​levyjä. Jotkut ovat lieriömäisiä, kuten koaksiaalikaapeli, tai pallomaisia, kuten solukalvo (joka lopulta pitää varauksen pumppaamalla positiivisia kaliumioneja solusta ja negatiivisia kloridi-ioneja siihen).

Koaksiaalikaapelia käytetään laajalti video-, ääni- ja viestintätietojen toimittamiseen. Sen sylinterimäinen rakenne koostuu useista kerroksista eristäviä dielektrisiä materiaaleja vahvojen johtavien levyjen, usein kuparin, välillä, jotka kaikki on rullattu kuin hyytelötela.

Tämä sallii kaapelin kuljettaa jopa heikkoja sähköisiä signaaleja heikentymättä pitkiä matkoja. Lisäksi, koska eristävät ja johtavat kerrokset on rullattu, koaksiaalikaapeli pystyy tarjoamaan tämä energian varastointi suhteellisen pienessä tilassa - varmasti pienemmässä tilassa kuin yhdensuuntaiset levykondensaattorit voi.

Yksi kondensaattoreiden yleinen sovellus on RC-piirissä, joten se on nimetty, koska se sisältää vastuksen ja kondensaattorin. Oletetaan, että kaksi piirikomponenttia on kytketty rinnakkain kytkimen avulla, joka antaa piirin muodostaa yhteyden yhteen kahdesta mahdollisesta yksittäisestä silmukasta: jännitelähde plus kondensaattori tai kondensaattori plus vastus.

Kun kondensaattori on kytketty jännitelähteeseen, virta virtaa piirissä ja se alkaa rakentaa varastoitua varausta. Kun kytkin käännetään ja kondensaattori kytketään vastukseen, se purkautuu ja lämmittää vastuksen.

Kondensaattorin jännite tai potentiaaliero latauksen aikana on:

Missä molemmatV_{kondensaattori}jaV_lähdeovat jännitteitä voltteina jaton aika sekunteina. AikavakioRCon piirin vastuksen ja kapasitanssin tulo, mikä tarkoittaa, että mitä suurempi vastus tai kondensaattori, sitä enemmän aikaa kuluu lataamiseen tai purkautumiseen. Sen yksikkö on myös sekunneissa.

Käänteisessä prosessissa (purkaessa) yhtälö on samanlainen:

MissäV₀on kondensaattorin alkuperäinen latautunut jännite ennen kuin se alkaa purkautua.

Koska varauksen muodostuminen ja vapautuminen vie aikaa, ja tämä aika riippuu piirin elementeistä, RC-piiri on hyödyllinen monissa tarkkuutta vaativissa sähkölaitteissa ajoitus. Joitakin yleisiä esimerkkejä ovat: flash-kamerat, sydämentahdistimet ja äänisuodattimet.

Esimerkki 1: Mikä on kahdesta 0,25 m: stä valmistetun rinnakkaislevykondensaattorin kapasitanssi² alumiinilevyt, jotka on erotettu 0,1 m: llä teflonilla 20 celsiusasteessa?

Kun otetaan huomioon yhden levyn pinta-ala, erotus ja dielektrinen materiaali, aloita etsimällä teflonin dielektrisyysvakio. 20 astetta on 2,1 (muista, että sillä ei ole yksiköitä!).

Kapasitanssin ratkaiseminen:

Esimerkki 2: Kuinka kauan kestää 100 µF: n (10^-6 kondensaattori 20 V: iin, kun se on kytketty 30 V: n akkuun ja piirissä 10 kΩ (1000 ohmia) vastuksella?

Aloita muuntamalla kapasitanssi ja vastus niiden SI-yksiköihin ja laskemalla sitten RC-aikavakio:

C = 100 uF = 0,0001 F

R = 10 kΩ = 10000 Ω

RC = 0,0001 F × 10000 Ω = 1 sekunti

Sitten käyttämällä kaavan latauskondensaattoria ja ratkaisemaan aikaat​:

Kondensaattorit ja akut saattavat tuntua samanlaisilta, koska ne molemmat pystyvät tallentamaan ja vapauttamaan elektronisen latauksen. Mutta heillä on useita keskeisiä eroja, jotka johtavat siihen, että heillä on erilaisia ​​etuja ja haittoja.

Ensinnäkin kondensaattori varaa energiaa varattuun sähkökenttään, kun taas akku varaa energiaa kemikaaleihin ja vapauttaa sen kemiallisen reaktion kautta. Näiden materiaalierojen takia akku voi varastoida enemmän energiaa kuin saman kokoinen kondensaattori.

Kyseisen energian vapauttamiseen tarvittava kemiallinen reaktio on kuitenkin tyypillisesti hitaampaa kuin varausten vapautuminen kondensaattorin sähkökentän läpi. Joten kondensaattori voi ladata ja purkaa paljon nopeammin kuin akku, joka tarjoaa enemmän sähkötehoa lyhyessä spurtissa. Kondensaattori on myös tyypillisesti kestävämpi kuin akku, joten se on ympäristöystävällisempi.

Kaikista näistä syistä insinöörit haluavat nykyään lisätä kondensaattoreiden varastointirajoja ja lyhentää akkujen lataus- ja purkausaikoja. Siihen asti laitteita käytetään usein yhdessä. Esimerkiksi kameran salama ja sydämentahdistin käyttävät sekä akkua että kondensaattoria pitkäaikaisen energian tuottamiseenjatoimittaa sen nopeassa sarjassa suuremmilla jännitteillä.

Kondensaattoreita käytetään usein piireissä tasoittamaan tai välittämään laitteen muuten kokemia jännitemuutoksia. Esimerkiksi suurin osa koteihin toimitetusta energiasta tulee vaihtovirtalähteestä, joka tuottaa "kuopallisen" jännitteen, mutta useimmat kodinkoneet vaativat tasavirran (DC) energiansyötön.

Seinän kondensaattorit auttavat muuttamaan signaalin vaihtovirrasta tasavirtaan näille laitteille. Saapuva jännite lataa kondensaattorin, ja kun se alkaa vaihtaa pienempään jännitteeseen, kondensaattori alkaa purkaa osan varastoidusta energiasta. Tämä sallii laitteen toisella puolella jatkossakin kokea tasaisemman jännitteen kuin ilman kondensaattoria.

Kondensaattorit ovat hyödyllisiä myös laitteissa, joissa tietyt elektronisten signaalien taajuudet on ehkä suodatettava pois, esimerkiksi radiovahvistin tai audiosekoitin. Esimerkiksi piirin kondensaattori voi ohjata matalataajuisia ja korkeataajuisia ääniä kaiuttimen eri osiin, kuten subwooferiin tai diskanttikaiuttimeen. Tai radiokaiutin, joka käyttää kondensaattoreita taajuuksien erottamiseen, voi vahvistaa joitain mutta ei toisia, mikä vahvistaa sen halutun aseman signaalia, johon radio on viritetty.

​Irrotus integroidussa piirissä.Yksi kondensaattorin yleisimmistä käyttötavoista on integroitu piiri - pieni piiri - levy, joka sisältää kaikki sähkökomponentit, joita käytetään useimpien kulutuselektroniikan, kuten älypuhelimet. Kondensaattori toimii siellä suojana, joka suojaa muita elektronisia komponentteja äkilliseltä jännite laskee ja toimii pieninä, väliaikaisina virtalähteinä, kun syöttö keskeytyy hetkellisesti, kuten usein tapahtuu.

Samoin kuin ne auttavat tuottamaan tasavirtaa kodinkoneille, kondensaattoreiden puskurijännitteen muutokset elektroniikan ulkopuolella piirissä; ne "imevät" ylijännitteen ja puolestaan ​​vapauttavat ylijännitteen, kun syöttö alkaa pudota.

Kondensaattoreiden kytkeminen irti integroiduista piireistä poistaa erityisesti jännitteen suurtaajuusmuutokset (koska ne voivat absorboida osan niiden läpi kulkevasta jännitteen muutoksesta). Tämä johtaa siihen, että muilla piirikomponenteilla on tasaisempi jännitteen köli tasoilla, joita tarvitaan niiden oikeaan toimintaan.

​Kondensaattorit antureina.Koska kondensaattorin rakenne riippuu käytetyistä materiaaleista, joilla puolestaan ​​on erilaiset johtavat ominaisuudet eri olosuhteissa, kondensaattorit ovat tärkeitä komponentteja elektronisissa antureissa.

Esimerkiksi kosteusanturi käyttää dielektristä materiaalia, kuten muovia tai polymeeriä, joka muuttaa johtavuuttaan luotettavasti muuttamalla kosteustasoja. Siten anturi päättelee suhteellisen kosteuden lukemalla johtavuuden kyseisen dielektrisen poikki.

Vastaavasti jotkut polttoainetasotunnistimet, myös lentokoneissa olevat, käyttävät kondensaattoreita mittaamaan, kuinka paljon polttoainetta säiliössä on jäljellä. Näissä laitteissa dielektrisenä toimii itse polttoaine. Kun se laskee riittävän matalalle tasolle, johtavuus muuttuu ja ohjaaja hälyttää.

Ehkä vielä yleisempiä ovat kosketusnäyttölaitteissa käytettävät kapasitiiviset kytkimet. Kun henkilön sormi koskettaa näyttöä, se purkaa pienen määrän varausta, mikä muuttaa laitteen johtavuutta mitattavasti ja osoittaa tiettyyn paikkaan. Tämä selittää myös, miksi käsineiden käyttäminen häiritsee vierittämistä älypuhelimella - käsineessä oleva villa tai puuvilla on erinomainen eristin, joka estää sormien lataukset hyppäämästä näytölle.